摘 要

世界范围内的三大化石能源——煤炭，石油与天然气的储量的减少已是众所周知的事实，而人口增加和电力设备不断改进和研发使得电力的使用量不断地上升，这就越来越需要人们重视能源的利用效率和开发新的能源使用方式。从尊重自然环境和维护绿水青山的角度出发，新能源成为了能源界的新宠儿。

本文借助可视化仿真软件MATLAB /Simulink，针对船舶电力系统中重要的发电部分——柴油发电机组合逆变机组，基于船舶运行中的不同工况：战斗工况、巡航工况、进出港工况、锚泊工况等负载容量的差别，仿真两种不同的发电设备组的电源切换，保障逆变器与柴油发电机并网时对电网的电能各项指标影响小，保证幅值、相位、频率的一致。本设计的目的就是为下一步设计船舶综合电力系统需要注意的问题提供一个参考。

本课题主要希望研究并网逆变器和柴发在作为船舶的电源的船舶综合电力系统，通过设置好合适的参数达到并网的要求。并且在MATLAB /Simulink软件中设计相应的电力系统仿真模型，在这一基础之下进行试验，观察电压电流波形变化。

通过本课题的研究可以清楚地了解船舶综合电力系统的运行状况，有利于在工况下优化船舶电力系统的研究。

关键词：并网控制策略；船舶综合电力系统；柴油同步发电机；逆变电源；MATLAB /Simulink；

Abstract

The reduction of the reserves of coal and oil and natural gas in the world’s three major fossil energy sources is a well-known fact. Increasing population and the continuous improvement of power equipment and Ramp;D make the use of electricity continue to rise. People value the efficiency of energy use and develop new ways of using energy. From the perspective of respecting the natural environment and maintaining green water and green mountains, new energy has become the new tendency of the energy industry.

This thesis uses the visual simulation software MATLAB /Simulink to target the important power generation part of the ship power system—a diesel generator combination inverter unit, based on different working conditions in the ship's operation: combat conditions, cruise conditions, entry and exit conditions, The difference in load capacity such as mooring conditions simulates the power supply switching between two different power generation equipment groups to ensure that the impact of the inverter and diesel generator on the power supply of the grid is small, and the amplitude, phase and frequency are guaranteed. Consistent. The purpose of this design is to provide a reference for the next step in the design of integrated power systems for ships.

This project mainly studies grid-connected inverters and diesel-fired ship integrated power systems that are used as the power source of ships, and achieves grid-connected requirements by setting appropriate parameters. And in the MATLAB / Simulink software to design the corresponding power system simulation model, under this basis to test, observe the voltage and current waveform changes.

Through the research of this topic, we can clearly understand the operational status of the ship's integrated power system and help optimize the study of the ship's power system under operating conditions.

Keywords: Grid-connected control strategy；Ship integrated power system; Diesel synchronous generator; Inverter power supply; MATLAB /Simulink;

目 录

摘 要 1

Abstract 2

第1章 绪论 1

1.1研究目的和意义 1

1.2国内外的研究现状 2

1.3船舶电力系统的特点 4

1.4 MATLAB/Simulink概述 4

第2章 并网逆变器的原理 6

2.1 IPS系统的主要结构 6

2.2 逆变电源工作原理描述 6

2.3 电压空间矢量调制SVPWM 8

2.3.1 SVPWM原理 8

2.4 锁相环 9

2.4.1 锁相环的原理描述 9

2.4.2 锁相环的仿真 10

2.5 坐标变换原理 11

2.6 滤波电路的选择和设定 12

2.6.1 交流侧滤波器性能比较 12

2.7 本章小结 13

第3章 并网逆变器的仿真 14

3.1 仿真模型的整体结构 14

3.1.1 逆变电源的主要技术指标 14

3.1.2 桥式电路中的几个重要参数 16

3.1.3 滤波电路的设计 17

3.1.4 控制模块的参数设定 19

3.2 仿真结果 20

3.3 本章小结 22

第4章 同步发电机并网仿真 23

4.1 同步发电机仿真参数的设置 23

4.1.1 同步发电机模块及其参数设置 23

4.1.2 电源的参数设置 23

4.1.3 负载模块的参数设置 24

4.1.4 整体的结构图 24

4.2 仿真结果 25

4.3 本章小结 26

第5章 结论与展望 27

参考文献 28

附 录A 30

致 谢 32

第1章 绪论

1.1研究目的和意义

在当今能源紧张、环境问题凸显的情况下，依靠传统能源推进的船舶噪声大、污染严重、耗能多，所以发展新能源推进的船舶势在必行。电力作为新型能源的良好存在形式，是替代原有的几种燃料的好的能源。

随着工业社会不断地发展与进步，以海上运输作为重要环节的国际贸易交流日愈频繁，大型船舶相应地在运输业中扮演着越来越重要的角色。在综合电力系统（Integrated Power System，IPS）技术的进步下，大型船舶开始尝试在动力系统中采用电力进行推进，电气设备开始不断增加在船舶总站上的使用^[1]。因此有必要加强对提高船舶电力系统稳定性控制理论或者控制方法的研究，在合理并且适当的基础上，提高船舶运营的安全性和经济性。

传统舰船的动力系统和电力系统相互独立，传统舰船上的动力系统通常由常规的热机和其他机械装置构成，而电力系统更多是作为辅助电源的存在^[2]，随着近几年的电力系统自动化的发展，出现了将推进系统和电力系统相结合共同构成舰船电力推进的新技术——IPS^[3]。IPS的拓扑结构大致如下图1.1，其全称是综合电力系统（Integrated Power System），由发电部分、区域配电部分、电能调度及智能管理部分、电力推进部分和环形供电网络等部分构成该系统，各模块的作用如下：

1. 发电部分经过环形电网向全船各个区域的配电系统供电；
2. 区域配电部分主要是将电力合理分配输送各负荷区域的中心，然后分配到用电设备；
3. 电力推进部分要实现舰船以电能为动力实现推进^[4]。

以上结构要求发电机和逆变设备能够及时的投入和切出，以满足所有用电的设备需求，在此基础之上，还要高效并且合理的利用电能，从而使得船舶的运营达到安全性与经济性的要求。因此要进行科学合理的设计船舶电站总容量以及在各个时间段发电机组运行的数量。船舶在运行的过程中，会遇到各种不同的状况，不同类型的船舶都具有各自不同的运行工况，而每个工况所需要的电能容量以及持续时间又是各不相同。因而要设置一个充足的船舶电站总容量，容量足够的情况下才能保障船舶的各个用电设备可以稳定地运行在各种不同的工况，船舶的运行才能保障安全和经济。但另一方面，由于船舶的能源有限，若在不同的工况下预留裕量较大，则会造成极大的浪费，为了保证整个用电系统的经济性，有必要设置每个工况下各自的电量裕量。

图1.1 船舶综合电力系统结构图

船舶电站的总容量的计算方式较为简单，就是其发电机组的总装机数量之和决定的，一般以单台发电机组的容量的80%设置为单机的最高容量，备用的辅助发电机组也是必备的，是船舶电站总容量不可缺少的一环。水下条件复杂，不同水域的情况不同，为了确保船舶持续的运行不失去动力，要考虑所有的工况，特殊的工况如靠离码头、进出狭水道等，运行时负荷不可避免较高，这时需要通过多个发电机组并联运行来解决这一现状，换言之需要进行发电机机组的并网运行实现连续的供电。

为了尽可能多地减少船上化石燃料的使用量，逆变电源也是船舶电源的重要组成部分。当船舶靠岸时，会关闭发电机组而改用岸电对船舶进行供电；当船舶在海洋中运行时，船上的光伏电池等直流发电设备也需要逆变电源做电能变换。因为现代的大型船舶总电站是由多台逆变电源以及若干台辅助柴油发电机组组成的，通过并网切换操作实现供电最优化，对船舶电网供电的可靠性和连续性有重要的意义。

与传统舰船系统相比，舰船综合电力系统有以下几个优点：

（1）、提高电力在船舶能源中的占比，将电能作为船舶的主要能源，既可以增加船上能源的来源，又能增加船舶的清洁性、经济性。现在新能源设备日趋成熟，，将新能源发电设备作为船舶航行过程中的持久能源，可以节约舰船的有效空间，提高空间的利用率。

（2）、使用新能源或复合新能源转换成的电能，具有清洁、无噪音、无污染的优点。

（3）、使用新能源或复合新型能源，将大大降低造船成本^[4]。如果新能源或复合新能源转换成电能，在船舶上使用，我们可以大胆的把电气设计方面分成两大部分，一部分船舶电气设备主要由新型能源或复合新型能源转化成的电能供电，另一部分船舶电气设备主要由发电机供电。由新能源或复合型新能源转化成电能供给照明、报警等装置；由发电机负责供给船舶上大型的、重要的用电设备^[5]；通过合理的安排，可有效降低发电机组的容量。

1.2国内外的研究现状

并网逆变器是船舶综合电力系统的重要部分，在国外，以美国和德国为例的一部分发达国家对并网逆变器的研究开始早、成果显著。比如，美国通用电气公司和德国的西门子公司已经有大量成熟的商用产品问世。在亚洲，机电行业较为成熟的日本也在逆变器的研发和设计方面投入巨大的精力，日本的产品在设计和性能方面在亚洲区域具有独一无二的竞争力。一方面，随着传统的化石能源消耗殆尽、节能环保呼声愈发高涨，另一方面，以光能、风能、潮汐能为代表的清洁能源，因为其取之不尽、用之不竭优良特性以及对自然环境友好的态度吸引了人们越来越多的关注。而且它们不会像核能一样存在着极其巨大的泄露风险，因此许多国家为逆变器产业的发展大开方便之门，为其提供了许多政策上的帮助。

20世纪70年代初期，20kHz的PWM型开关电源的应用在世界上引起了所谓“20kHz电源技术革命”。当时的逆变电源开始使用这一思想制定控制策略，但是受限于成本等因素，功率器件过于昂贵且损耗巨大，高频率且高效的逆变电源研究并不是十分的顺利。

 20世纪80年代后，随着磁性材料制作质量提高和MOSFET制作的工艺得到了长足进步，高频的逆变电源出现在大众视野，这种新的模块采用了直-交-直的结构，先把低压的直流电变成高频的低压交流电，之后通过升压电路升压之后输出电能到整流电路，整流成高压力的直流电输出。在这个变换的过程中有一个重要的技术就是PWM技术，正是因为该技术的应用，电路才能得到稳定的直流电压。更重要的是该高压直流电能还可以做变换，可以换做正弦工频交流电或者类交流电，高频还有助于降低器件的大小和质量，再通过增加稳压调宽等技术可以再度提升器件的性能。

船舶电机发电系统在其40多年的发展，其中最具代表性的是西门子公司于20世纪80年代推出的基于晶闸管整流-逆变的轴带发电系统，这套发电系统通过晶闸管变流器、调相机分别为船舶电网提供有功功率、无功功率。此系统技术已经发展的相当成熟，但它存在和不可忽视的缺点，因为它存在着输出电能质量差、电量损耗大、设备体积大的问题。将PWM逆变技术投入到轴带发电系统是一个具有开创性的改变，它是由德国的SAM公司率先投入市场的，此发电机系统使用了当时最先进的控制策略。即使发电机的转速发生严重的波动仍然可以对电网系统进行正常的供电，并且该系统省去了缺点众多的调相机模块，使整个发电机系统输出的电能质量都得到了巨大的提高。

在国内，对船舶电力系统的研究主要是从船舶上的柴油发电机的方向来进行的，从原动机的调速和励磁电压控制这两个层面入手，利用新型的理论以及真实模型来研究关于船舶电力稳定性的问题。但是这些研究都有各自的短板，其中大部分的控制策略都至进行了单一因素变量的论证，因此不能达到原动机调速和发电机组励磁调压双重控制的目的。此外，船舶上负载与船舶总电网系统之间具有非常强的耦合性，导致船舶电力系统成为了一个极强的非线性系统。这就为控制器的设计提出了强大的挑战，他要求控制系统必须要具有非常强的鲁棒性和灵敏性，这也为船舶电力系统的研究与设计提供了更高的要求。

现代船舶工业的发展飞速，船舶的吨位日益增大，大功率电器大量的使用，使得船舶电站装机总容量的需求也是逐渐增大，负载和电源的并网和解列、船舶航行时遇到的各种不停地自然影响都会给船舶电力系统的稳定运行施加更大的压力。船舶系统的稳定决定着船舶电网是否能安全的运行。船舶电力系统的输出电压是由柴油发电机励磁决定的，发电机的励磁与原动机调速两者共同决定着电网的稳定性。但是当今对船舶电力系统的研究很大一部分只单纯的考虑调速或者只考虑调压，控制的策略大多也继续使用早期线性的系统，最常见的当属PID调节。但利用线性控制的策略去调节作为非线性系统的船舶电力系统显得非常不合逻辑，控制效果可想而知，是远远达不到要求的。

1.3船舶电力系统的特点

船舶电力系统与陆地电力系统相比，是一个相对独立的电力系统，这一点与我们所熟悉的陆地电力系统是非常不同的。船舶电力系统主要由逆变电源、辅助发电机组、蓄电池组（应急设备使用）、岸电（仅靠岸时使用）组成；配电装置主要就是配电箱，它起到了对电力保护和分配的作用；船舶电网指的就是分布在船舶各处的电缆电线的总称;用电设备则分为了电力拖动设备、通信导航设备、照明设备等等需要电能运行的设备。大多数的船舶电力系统只有一个电站，该电站是由许多台逆变电源组成的，容量一般为数千瓦，比陆地电源容量要小得多，因此船舶电力系统是一个有限容量的电力系统。但船舶上往往会使用大型的起重机等设备，这些设备的单机容量就可以和一个单独的逆变电源相同，特别是当这些大功率设备进行启动操作时，对电网电压及频率的影响非常巨大。此外船舶工况种类繁多，不同的工况下用电量不同，即便在同一工况下，用电量也会有较大的差异，所以可以得知船舶电力电力系统负载变化非常之频繁^[7]。船舶电源在电网电压及频率频繁波动时也必须具有相对稳定工作的能力，因此研究船舶电源并网切换策略将会变得非常有意义。

除此之外，船舶上的工作情况比较复杂，工作环境比较的恶劣，船舶上的高温、潮湿、霉菌、震动、倾斜，所以对电气设备要进行（防潮、防霉菌、放盐雾）的三防处理。用电设备之间距离很短，相互的影响较大，所以要求短路保护环节全面、可靠、选择性强。

1.4 MATLAB/Simulink概述

MATLAB是一款强大的图形处理和数值计算软件，该软件由Math Works公司研发，其全称是矩阵实验室（Matrix Laboratory），该软件从研发至今有多个版本，大致于每年的三月和九月分别发出一款并命名为“MATLAB r20XXa”和“MATLAB r20XXb”，因为其强大的功能，人们称赞这款软件是“巨人肩上的工具”。它属于第四代计算机语言，是当前世界上应用最广泛的计算机语言，它在系统建模、系统仿真、数值计算等广泛领域都得到了应用。因为其得天独厚的优势，使得其受到许多科研领域的青睐，它有如下几个特点：

1. 强大的数值和符号计算功能数学计算
2. 强大的图形功能
3. 简单易学的语言
4. 独具特色的应用工具箱

它的典型应用主要在数学计算，运算法则的推导，模型仿真和还原，数据的分析、采集以及可视化，科技和工程制图，开发软件、包括图形用户界面的建立。

Simulink是Math works公司开发的另外一个独具特色的动态仿真系统软件。它可以实现动态系统建模与仿真，无论它是线性还是非线性，它都可以出色地完成任务，并且可以根据用户的各种不同需求，对系统进行相应的优化，可以达到提高用户的工作效率、提高自身仿真能力的作用。Simulink是MATLAB软件的一个扩展的模块，它主要用来进行动态系统建模和仿真。它与MATLAB仿真软件的区别在于它是图形输入而非MATLAB那种利用程序语言输入，它可以使用户更好的投入到模型的建立。

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